Да пребудет с вами протонодвижущая сила!

Мысль о том, что клетки питаются электрической энергией, стала одной из самых революционных научных идей XX в. Ее продвигал с начала 1960-х гг. эксцентричный англичанин, биохимик Питер Митчелл, вызывавший у своих современников-ученых такой антагонизм, что противодействие его гипотезе вылилось в непримиримый конфликт, получивший название OxPhos-войн (поскольку Митчелл назвал предложенный им механизм клеточного дыхания окислительным фосфорилированием). Дело кончилось присуждением Митчеллу в 1978 г. Нобелевской премии, и его открытие было названо «самой парадоксальной идеей в биологии со времен Дарвина, единственной, сопоставимой с идеями Эйнштейна, Гейзенберга и Шрёдингера». По существу же гипотеза Митчелла была проста и вырастала из едва ли не наивного вопроса о том, в чем разница между внешним и внутренним.

Митчелл заинтересовался, каким образом бактерии поддерживают внутреннюю среду. И понял, что они активно перекачивают молекулы внутрь клетки или за ее пределы через мембрану. Активный процесс перекачивания энергозатратен и избирателен: опознаются и проводятся через мембрану определенные молекулы, подобно тому как паромщик перевозит через реку только тех пассажиров, кто заплатил. Гениальность Митчелла позволила ему заметить, что тот же базовый принцип применим не только к жизнедеятельности бактерий, но и к клеточному дыханию, о котором было известно, что для него необходимы мембраны, хотя причины этого оставались загадкой. Если при активном перекачивании вещества из клетки (вследствие чего создается разница между внутренней и внешней средой) энергия тратится, понял Митчелл, то она же и высвобождается, если дать возможность потоку вернуться обратно, нейтрализуя созданную разницу. Высвобождаемую энергию можно использовать для производительной деятельности.

Так устроено клеточное дыхание. Через мембраны активно прокачиваются протоны. Как вы, наверное, помните, протоны — положительно заряженные ядра атомов водорода, обозначаемые символом Н+. Когда они выводятся из клетки, то внутри и вне ее возникает не только разная концентрация протонов, но и разница электрических потенциалов, поскольку протоны выносят наружу положительный заряд. Этим и обеспечивается устойчивый электрический заряд наших мембран. Вынужденные переместиться наружу, протоны стремятся вернуться обратно в клетку и нейтрализовать разницу в заряде и концентрации. Митчелл назвал действующую при этом силу протонодвижущей. Это самая важная сила для живой материи. Через мембраны митохондрий, встроенных электростанций наших клеток, ежесекундно перекачивается невообразимое количество протонов — 10 млрд трлн — почти столько же, сколько звезд в видимой Вселенной. Крошечные бактерии совокупными усилиями перекачивают еще больше.

Каждое живое существо на нашей планете получает энергию из источника, приводимого в движение протонодвижущей силой. Этот механизм действует непрерывно, каждую секунду существования, передавая искру жизни от одного поколения к другому. С самым первым движением жизни на Земле около 4 млрд лет назад всех нас связывает ни на мгновение не прерывающийся поток протонов.

Откуда же берется энергия на перекачку всех этих протонов и поддержание всех этих жизней? В нашем случае — от сжигания пищи кислородом благодаря дыханию. Мы извлекаем электроны из пищи, и они передаются по цепи переносчиков внутри той самой мембраны митохондрий, пока не встретятся с кислородом, который доставляется в каждую нашу клетку исключительно ради этого. Поток электронов к месту встречи с кислородом — еще один электрический ток — как раз и питает транспортировку протонов через мембрану. С прекращением дыхания прерывается поток электронов, и ничто больше не перекачивает протоны. Источник жизненной силы иссякает, и наступает конец. Исчезновение протонодвижущей силы — лучшее определение смерти. Непрерывный поток электронов и протонов, связывающий нас с источником всего живого на Земле, прекращается с нашей кончиной.

Большинству бактерий не требуется ни кислорода, ни пищи, чтобы создавать протонодвижущую силу. Они умеют использовать в этих целях другие газы и даже минералы. По генам можно проследить источники силового поля в живых клетках вплоть до последнего универсального общего предка всех живых видов. Зовут этого предка «Последний универсальный общий предок» — LUCA (Last Universal Common Ancestor). LUCA не являлся самым первым существовавшим на Земле организмом, поскольку уже представлял собой клетку с генами и белками, т.е. был весьма сложным — и, безусловно, живым. Тем не менее это очень ранняя страница в истории жизни, и если источником энергии для него служила протонодвижущая сила, то ее механизм должен был сформироваться еще раньше — где-то в сумеречной зоне между живой и неживой материей. Невероятная сложность современного дыхания противоречит этой идее, вследствие чего она до сих пор не получила должного внимания. Но чем больше мы узнаем об удивительном строении LUCA, тем больше оно свидетельствует о существовании первичной электрической силы — причем не только на Земле, но и повсюду во Вселенной.